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1、THE CYTOSKELETON,第九章 细胞骨架,成分：微丝（microfilament）、微管（microtubule）和中间纤维（intemediate filament）构成。均由单体蛋白以较弱的非共价键结合在一起，构成纤维型多聚体。 微丝确定细胞表面特征，使细胞能够运动和收缩。 微管确定膜性细胞器的位置和作为膜泡运输的导轨。 中间纤维使细胞具有张力和抗剪切力。 其它骨架成分：核骨架、核纤层、细胞外基质。,The three types of protein,第一节 微丝 microfilament , MF,又称肌动蛋白纤维actin filament，是由两条线性排列的肌动蛋白链形
2、成的螺旋 ，形状如双线捻成的绳子，直径约7nm 。,根据等电点分为3类：分布于肌肉细胞；和分布于肌细胞和非肌细胞。 actin单体外观呈哑铃形，称球形肌动蛋白G-actin；多聚体称为纤维形肌动蛋白F-actin。 actin在进化上高度保守，酵母和兔子肌肉的肌动蛋白有88%的同源性。 肌动蛋白要经过翻译后修饰，如N-端乙酰化或组氨酸残基的甲基化。,一、分子结构,条件：ATP、适宜的温度、存在K+和Mg2+离子。 过程：2-3个actin聚集成一个核心（核化）；ATP-actin分子向核心两端加合。微丝具有极性，ATP-actin加到(+)极的速度要比加到(-)极的速度快5-10倍。 溶液中A
3、TP-肌动蛋白的浓度处于临界浓度时，ATP-肌动蛋白在(+)端添加，而从(-)端分离，表现出 “踏车”现象。,微丝的装配,Treadmilling,+,-,细胞中大多数微丝结构处于动态的组装和去组装过程中，并通过这种方式实现其功能。 细胞松弛素（cytochalasin）可切断微丝纤维，并结合在微丝末端抑制肌动蛋白加合到微丝纤维上，特异性的抑制微丝功能。 鬼笔环肽（phalloidin）与微丝能够特异性的结合，使微丝纤维稳定而抑制其功能。荧光标记的鬼笔环肽可特异性的显示微丝。,二、微丝结合蛋白,已知的的微丝结合蛋白有100多种，分为以下类型： 1核化蛋白：使游离actin核化，开始组装，Arp
4、 2单体隐蔽蛋白：阻止游离actin向纤维添加，thymosin 3封端蛋白：使纤维稳定，Cap Z 4单体聚合蛋白：将结合的单体安装到纤维，profilin 5微丝解聚蛋白：使微丝去组装，cofilin 6交联蛋白：fimbrin 7纤维切断蛋白：将微丝切断，gelsolin 8膜结合蛋白：vinculin,核化蛋白,三、肌肉的组成,由肌原纤维组成，肌原纤维包括粗肌丝和细肌丝，粗肌丝主要成分是肌球蛋白，细肌丝的主要成分是肌动蛋白、原肌球蛋白和肌钙蛋白。 肌肉收缩的基本单位是肌小节（sarcomere）。肌小节是相邻两Z线间的单位。主要结构有： A带（暗带）：为粗肌丝所在。 H区：A带中央色浅
5、部份，此处只有粗肌丝。 I带（明带）：只含细肌丝部分。 Z线：细肌丝一端游离，一端附于Z线 。,Sarcomere,（一）肌球蛋白（myosin）,属于马达蛋白，趋向微丝的（+）极。 已知15类（myosin I-XV）。 Myosin II构成粗肌丝。由2个重链和4个轻链组成，外观具有两个球形的头和一个螺旋化的干，头部有ATP酶活性。 Myosin V结构类似myosin II，但重链有球形尾部。 Myosin I 由一个重链和两个轻链组成。 Myosin I、II、V都存在于非肌细胞中，II型参与形成应力纤维和胞质收缩环，I、V型结合在膜上与膜泡运输有关 。,Myosin II struc
6、ture,Two heavy chains, two essential light chains, and two regulatory light chains Heavy chain has head domain, neck region, and tail domain,（二）原肌球蛋白（tropomyosin.Tm） 每个Tm的长度相当于7个肌动蛋白，呈长杆状。组成两条平行纤维，位于肌动蛋白双螺旋的沟中，主要作用是加强和稳定肌动蛋白丝，抑制肌动蛋白与肌球蛋白结合。 （三）肌钙蛋白（troponin,Tn）， 含三个亚基，肌钙蛋白C特异地与钙结合，肌钙蛋白T与原肌球蛋白有高度亲和力，
7、肌钙蛋白I抑制肌球蛋白的ATP酶活性，主要作用是调节肌肉收缩。,Tropomyosin, actin and troponin,（四）肌肉的收缩,肌球蛋白结合ATP，引起头部与肌动蛋白纤维分离； ATP水解，引起头部与肌动蛋白弱结合；,Myosin movement (continued),Pi释放，头部与肌动蛋白强结合，头部向M线方向弯曲，引起细肌丝向M线移动； ADP释放ATP结合上去，头部与肌动蛋白纤维分离。 如此循环,四、微丝的功能,微丝除参与形成肌原纤维外还具有以下功能： 1形成应力纤维（stress fiber）：结构类似肌原纤维，使细胞具有抗剪切力。,培养的上皮细胞中的应力纤维（
8、微丝红色、微管绿色）,2形成微绒毛。 3细胞的变形运动。,4. 胞质分裂； 5. 顶体反应； 6. 其他功能：抑制微丝的药物（细胞松弛素）可增强膜的流动、破坏胞质环流。,第二节 微管 Microtubule, MT,微管在胞质中形成网络结构，作为运输路轨并起支撑作用。微管是由微管蛋白组成的管状结构，对低温、高压和秋水仙素敏感。,A fluorescently stained image of cultured epithelial cells showing the nucleus (yellow) and microtubules (red),微管是由13条原纤维构成的中空管状结构，直径22
9、25nm。 每一条原纤维由微管蛋白二聚体线性排列而成 微管蛋白二聚体由结构相似的和球蛋白构成。 球蛋白结合的GTP从不发生水解或交换。 球蛋白也是一种 G蛋白，结合的GTP可发生水解，结合的GDP可交换为GTP。,一、分子结构,微管具有极性，(+)极生长速度快，(-)极生长速度慢。 (+)极的最外端是球蛋白，(-)极的最外端是球蛋白。 微管和微丝一样具有踏车行为。 微管形成的有些结构是比较稳定，是由于微管结合蛋白的作用和酶修饰的原因。如轴突、纤毛、鞭毛。 大多数微管处于动态组装和去组装状态（如纺锤体）。 秋水仙素、长春花碱抑制微管装配。 紫杉酚能促进微管的装配, 并使已形成的微管稳定。,The
10、 function of GTP-tubulin cap,GTP hydrolysis is not required for microtubule assembly，WHY？,Microtubule disassemble when ADP-tubulin are exposed,MAP分子至少包含一个结合微管的结构域和一个向外突出的结构域。突出部位伸到微管外与其它细胞组分（如微管束、中间纤维、质膜）结合。 主要功能：促进微管组装。增加微管稳定性。促进微管聚集成束。,二、微管结合蛋白 microtubule associated proteins MAPs,三、微管组织中心 microtu
11、bule organizing center, MTOCs,是微管进行组装的区域，都具有微管球蛋白 ，如：中心体、鞭毛基体。,中心体由两个相互垂直的中心粒构成。周围是一些无定形物质，叫做外中心粒物质（PCM）。 中心粒由9组3联微管构成，具有召集PCM的作用。 MTOC处微管蛋白以环状的球蛋白复合体为模板核化、先组装出（-）极，然后开始生长。 提纯的微管，在微酸性环境，适宜的温度，存在GTP、Mg2+和去除Ca2+的条件下能自发的组装成11条原纤维的微管。,The Orientation of Microtubules in a Cell,五、微管的功能,1、支架作用,2、细胞内运输 是胞内物
12、质运输的路轨。 涉及两大类马达蛋白：驱动蛋白kinesin，动力蛋白dyenin，均需ATP供能。 Kinesin发现于1985年，是由两条轻链和两条重链构成的四聚体 ，能向着微管（+）极运输小泡 。,Kinesin walk along microtubule towards plus end,Dynein发现于1963年，因与鞭毛和纤毛的运动有关而得名。 由两条相同的重链和一些种类繁多的轻链以及结合蛋白构成。 作用：在细胞分裂中推动染色体的分离、驱动鞭毛的运动、向着微管（-）极运输小泡。,3、形成纺锤体 在细胞分裂中牵引染色体到达分裂极。,纤毛与鞭毛是相似的两种细胞外长物，前者较短。 结构
13、： 由基体和鞭杆两部分构成。 鞭毛中的微管为9+2结构。 二联微管A管由13条原纤维组成，B管由10条原纤维组成。 A管向相邻B管伸出两条动力蛋白臂，并向鞭毛中央发出一条辐。 基体的微管组成为9+0。 鞭毛运动原理：动力蛋白臂的dynein水解ATP作功，使相邻的二联微管相互滑动。,第三节 中间纤维 intermediate filaments，IF,直径10nm左右，介于微丝和微管之间，故名。 IF是最稳定的细胞骨架成分，主要起支撑作用。 IF在细胞中围绕着细胞核分布，成束成网，并扩展到细胞质膜，与质膜相连结。,Keratin filaments of epithelial cells ar
14、e tightly anchored to the plasmamembranes at desmosmes and hemidesmosomes,分为5类：角蛋白、结蛋白、胶质原纤维酸性蛋白、波形纤维蛋白、神经纤丝蛋白。 具有组织特异性，不同类型细胞含有不同IF。 通常一种细胞含有一种中间纤维，少数含有2种以上。 肿瘤细胞转移后仍保留源细胞的IF。,一、类 型,（一）角蛋白keratin 为表皮细胞特有，具有和两类，角蛋白存在于细胞中，角蛋白形成头发、指甲等坚韧结构。 分为：酸性角蛋白（I型）、中性或碱性角蛋白（II型）。组装时首先由I型和II型组成异二聚体，再形成中间纤维。 （二）结蛋白d
15、esmin 又称骨骼蛋白skeletin，存在于肌肉细胞中，主要功能是使肌纤维连在一起。,（三）、胶质原纤维酸性蛋白glial fibrillary acidic protein 存在于星形神经胶质细胞和许旺细胞。起支撑作用。 （四）、波形纤维蛋白vimentin 存在于间充质细胞及中胚层来源的细胞中。 （五）、神经纤丝蛋白neurofilament protein 是由三种分子量不同的多肽组成的异聚体，功能是提供弹性使神经纤维易于伸展和防止断裂。,二、结构与装配,（一）结构 由螺旋化杆状区，以及两端非螺旋化的球形头（N端）尾（C端）部构成。 杆状区高度保守，由螺旋1和螺旋2构成，每个螺旋区还分为A、B两个亚区。,intemediate filaments，IF,（二）IF的装配,过程： 两个单体形成超螺旋二聚体（角蛋白为异二聚体）； 两个二聚体反向平行组装成四聚体； 四聚体组成原纤维； 4根原纤维组成中间纤维。 特点： IF没有极性；无动态蛋白库；装配与温度和蛋白浓度无关；不需要ATP、GTP或结合蛋白的辅助。,功能： 使中间纤维交联成束、成网， 把中间纤维交联到质膜或其它骨架成分上 已知的IFAPs约15种左右，分别与特定的中间纤维结合，如：flanggrin、Plectin、Ankyrin 特点：具有细胞特异性,三、IF的结合蛋白 IFAP,胞质骨架三种组分的比较,